Морфология люминесцентного преобразователя
Люминесцентный преобразователь
Люминесцентный преобразователь, применяющийся в технике фотоэлектронных приборов, обычно представляет собой слой или объемную деталь из оптического материала, в среде которого распределен заданным образом люминесцентный материал, – люминофор. На практике чаще всего используют явление фотолюминесценции, – преобразование люминесцентным материалом возбуждающего излучения видимого или ультрафиолетового спектра с характерной длиной волны l1 в излучение видимого спектра, характеризующееся длиной волны l2. При этом, если преобразование проходит по стоксовскому типу, то l1 < l2. Люминесцентные преобразователи применяют в светодиодах, солнечных элементах, люминесцентных лампах и разнообразных гибридных устройствах. Также они используются в электронно-оптических преобразователях, но там люминофорный слой возбуждается потоком электронов, а излучает в видимой области, то есть, работает на принципе катодолюминесценции.
Строение люминофора
Люминофор состоит из двух объектов: матрицы, прозрачной для возбуждающего и люминесцентного излучения; и центров люминесценции, распределенных в объеме матрицы и обеспечивающих преобразование возбуждающего излучения в люминесцентное.
Матрица обычно представляет собой однородную структуру, характеризующуюся некоторой регулярностью. В качестве матрицы могут применяться поликристаллы, нанокристаллы, аморфные вещества, органические материалы (основа пигментов).
|
|
|
Центр люминесценции отличается от матрицы по своему химическому составу. Он может быть образован ионом примеси, дефектом структуры матрицы или локальной областью, обладающей квантово-размерным эффектом (квантовая точка). Можно условно выделить внутрицентровую люминесценцию, когда энергетические переходы происходят внутри одного иона примеси. Такой ион обычно является примесью внедрения. И, – рекомбинационную люминесценцию, когда переходы возникают между энергетическими состояниями, относящимися к нескольким узлам кристаллической решетки или атомам матрицы. Такой вариант люминесценции характерен для центров, образованных примесями замещения или вакансиями. Эффективность и стабильность внутрицентровой люминесценции обычно выше, чем рекомбинационной. Особняком стоят квантовые точки, которые по своему строению ближе к рекомбинационным центрам, а по физическим свойствам – к внутрицентровым.
Эффективность люминесцентного преобразователя
Определим эффективность распространенного стоксовского преобразователя в фотоэлектронном приборе. На рис. 1 схематично представлено зерно люминофора, размещенное в оптическом материале (основе преобразователя). Зерно состоит из матрицы и центров люминесценции. Возбуждающее излучение с частотой n1, попадает на поверхность зерна, где часть энергии теряется на отражение. Интенсивность этого процесса характеризуется коэффициентом отражения R. Далее излучение поглощается центром люминесценции и преобразуется в полезное излучение с частотой n2. При этом часть энергии рассеивается, переходя в тепловые колебания кристаллической решетки или структуры матрицы. Этот процесс характеризуется квантовой эффективностью люминофора h.
|
|
|
 |
Риc. 1
Общая эффективность процесса преобразования излучения должна учитывать потери энергии на границе зерна люминофора и тепловые потери в центре люминесценции. Также необходимо учесть уменьшение энергии фотона по правилу Стокса: как отношение энергий фотона результирующего излучения и фотона возбуждающего излучения, или отношение длин волн их спектров. Тогда выражение для общей эффективности люминофора будет выглядеть следующим образом.
x = h × (1 – R) × (l1 / l2) (1)
Чтобы определить эффективность люминесцентного преобразователя, следует рассчитать параметр С – отношение потоков излучения результирующего и возбуждающего излучения в суммарном спектре излучения на выходе люминесцентного преобразователя. Значения потоков излучения получают интегрированием соответствующих спектральных полос по длине волны. Эффективность преобразователя в общем случае равна:
|
|
|
J = (1 + С) / (1 + С / x). (2)
Выбор люминофора
Выбор люминесцентного материала для формирования преобразователя основывается на нескольких факторах.
Спектры излучения и возбуждения рассматриваемого люминофора должны соответствовать поставленной задаче. Спектр возбуждения должен лежать в спектральном диапазоне, характерном для излучения, которое будет преобразовано. Спектр излучения люминофора должен дополнять спектр преобразуемого излучения таким образом, чтобы суммарный спектр излучения на выходе преобразователя (спектральные полосы с характерными длинами волн l1 и l2) отвечал техническим требованиям на разрабатываемый прибор.
Квантовая эффективность современного люминофора для использования в составе люминесцентного преобразователя должна составлять не менее 80 %.
|
|
|
Коэффициент отражения люминофора (измеренный для спектральной полосы возбуждающего излучения – с длиной волны l1) должен составлять не более 10 %.
По внешнему виду зерна таких люминофоров обычно представляют собой близкие между собой по размерам кристаллы или подобные им по геометрии объекты с минимальным содержанием дефектов и с высокой степенью симметрии.
Морфология люминесцентного преобразователя
Сказанное выше относительно определения эффективности люминесцентного преобразователя справедливо для случая, когда потери энергии излучения сводятся к минимальным и физически неизбежным. То есть, рассчитанная эффективность преобразования является теоретически достижимой или максимально возможной. В реальном преобразователе наблюдаются потери энергии, связанные и с другими механизмами. Наибольшую роль среди этих дополнительных возможных путей потери энергии играет рассеяние излучения с переходом в тепловую энергию в результате многократного отражения и переотражения излучения от зерен люминофора. На практике было показано, что наиболее близкий к теоретически возможному результат получается для преобразователя, сформированного из минимального по толщине слоя люминофора, в котором зерна расположены симметрично по принципу плотнейшей упаковки. И, наоборот, при хаотическом размещении зерен (уменьшении степени симметричности их расположения), а также при увеличении толщины слоя люминофора эффективность преобразования падает.
Дата добавления: 2020-11-29; просмотров: 84; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!